성균관대학교와 삼성전기 공동연구팀이 극한의 고온 환경에서도 안정적으로 작동하면서 수소 생산 효율을 크게 높인 차세대 수전해 전지 기술을 개발했다. 그린수소 생산 성능을 기존 대비 약 두 배 끌어올리면서도 내구성 문제까지 해결해 수소 에너지 상용화 가능성을 높였다는 평가다.

성균관대는 기계공학부 이원영 교수 연구팀은 삼성전기 중앙연구소와 산학 공동연구를 통해 고체산화물 수전해전지(SOEC)의 성능과 내구성을 동시에 개선할 수 있는 제조 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

고체산화물 수전해전지는 700℃ 이상의 고온에서 수증기를 전기분해해 수소를 생산하는 장치다. 기존 방식보다 적은 에너지로 많은 수소를 생산할 수 있어 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 다만 장시간 고온 환경에서 작동할 경우 전지 내부 입자들이 서로 뭉치거나 전극 층이 분리되는 문제가 발생해 성능이 급격히 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 산업 현장에서 적용 가능한 두 가지 ‘제조친화형 나노 설계 전략’을 제시했다.

첫 번째 전략은 연료극 촉매 입자 표면에 원자층 증착(ALD) 기술을 활용해 수 나노미터 두께의 얇은 보호막을 형성하는 방식이다. 이를 통해 니켈 입자가 고온에서도 서로 뭉치지 않도록 안정화했고, 수소 환경에서는 합금 촉매로 변하도록 설계해 수소 생산 효율을 기존 대비 약 두 배 높였다.

두 번째 전략은 공기극과 전해질 사이 경계면에 약 50나노미터 두께의 나노 코팅층을 형성하는 기술이다. 연구팀은 정전기를 이용해 미세 입자를 분사하는 전기정전 분무증착(ESD) 공정을 활용해 전지 내부 층간 박리 현상을 효과적으로 억제했다. 특히 이 공정은 대기압 환경에서도 적용할 수 있어 대규모 생산 공정에 유리하다는 장점이 있다.

이번 연구의 특징은 실험실 수준에 그치지 않고 기업과 협력해 실제 대면적 셀에서도 성능 향상 효과를 검증했다는 점이다. 연구진은 이를 통해 고체산화물 수전해전지 상용화를 가로막던 ‘수명 문제’와 ‘제조 공정의 어려움’을 동시에 해결할 수 있는 기술적 기반을 마련했다고 설명했다.

이원영 성균관대 교수는 "고체산화물 수전해전지 상용화의 가장 큰 걸림돌이었던 전극 구조 변화와 계면 박리 문제를 산학 협력을 통해 극복한 사례"라며 "나노 기술을 실제 제조 공정에 접목해 수소 에너지 시대를 앞당길 수 있는 실용적인 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다"고 밝혔다.

박중덕 삼성전기 마스터는 "이번 공동연구를 통해 고체산화물 수전해전지의 성능과 내구성을 동시에 개선할 수 있는 제조 기술의 가능성을 확인했다"며 "향후 산업 적용 가능성을 높이기 위해 지속적으로 협력해 나갈 계획"이라고 했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 나노·소재기술개발사업, 미래수소혁신기술개발사업, 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업 등 지원을 받아 수행됐다.

연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지 Advanced Functional Materials와 ACS Nano에 게재됐으며, 특히 Advanced Functional Materials에서는 해당 호의 표지 논문으로 선정됐다.



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